小型超聲波鉆床設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)

PAGE南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者:學(xué)號：教學(xué)點:蘇州市職業(yè)大學(xué)專業(yè):機電一體化題目:小型超聲波鉆床設(shè)計

南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）評語學(xué)生姓名：王昌健班級、學(xué)號：054908221015題目：小型超聲波鉆床設(shè)計綜合成績：指導(dǎo)者評語：該生很好地完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的工作，介紹了超聲波的工作原理、河特點。重點分析超聲波鉆床的機械結(jié)構(gòu)特點，對超聲波鉆床的變幅桿、換能器、床身結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析研究，確定了超聲波鉆床的設(shè)計方案，繪制了超聲波鉆床主要部件的零件圖和裝配圖。并通過試驗驗證了超聲波鉆床的加工特性和存在的設(shè)計缺陷。畢業(yè)設(shè)計說明書、開題報告等文本內(nèi)容寫作規(guī)范，圖紙表達(dá)基本符合工程圖紙要求，整體來說符合畢業(yè)設(shè)計相關(guān)要求。該生畢業(yè)設(shè)計整體來說完成的比較出色，但也有某些不足的地方，如在工程圖紙表達(dá)上還存在尺寸標(biāo)注不全、公差不合理等情況，這主要是因為平時缺乏相關(guān)工程項目開發(fā)的經(jīng)驗。鑒于以上情況和該生畢業(yè)設(shè)計過程中良好表現(xiàn)，成績評定為82分。允許提交答辯。指導(dǎo)者(簽字)：年月日

畢業(yè)設(shè)計（論文）評語評閱者評語：對超聲波加工的工作原理掌握透徹、超聲波鉆床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理、結(jié)構(gòu)尺寸分析計算準(zhǔn)確，論文說明書、開題報告等文本內(nèi)容寫作規(guī)范，圖紙表達(dá)基本符合工程圖紙要求，整體來說符合畢業(yè)設(shè)計相關(guān)要求。評閱者(簽字)：年月日答辯委員會（小組）評語：能準(zhǔn)確介紹超聲波加工的工作原理，對超聲波鉆床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的介紹思路清晰，對超聲波鉆床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析計算原理運用準(zhǔn)確，設(shè)計效果良好。對答辯組提出的問題回答準(zhǔn)確，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計要求。答辯委員會（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)：年月日PAGEPAGE39畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要超聲加工是利用超聲振動工具在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行振動加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法。

幾十年來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展迅速，在超聲振動系統(tǒng)、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲復(fù)合加工領(lǐng)域均有較廣泛的研究和應(yīng)用，尤其是在難加工材料領(lǐng)域解決了許多關(guān)鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。論文著重介紹了超聲波加工系統(tǒng)基本組成和超聲波加工的特點，如發(fā)生器、換能器、變幅桿和超聲磨料加工等，并通過超聲波加工中典型加工方式——超聲波鉆進(jìn)行了實驗、研究和分析，最終得出超聲波加工的特點，對超聲波加工的獨特優(yōu)點進(jìn)行了很好論證。本文在上述目的基礎(chǔ)上根據(jù)超聲波鉆的特點，構(gòu)思并設(shè)計出超聲鉆床的鉆臺。本設(shè)計方案主要滿足了結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、操作方便、能實現(xiàn)多個方向動作等要求，很好的滿足了超聲鉆加工的進(jìn)給與裝夾。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲波振切削加工技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。人們越多把超聲波加工與其他加工方式相結(jié)合，逐漸形成了多樣的加工方法。超聲波加工技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞超聲加工發(fā)生器換能器變幅桿畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要TitleUltrasonicMachiningTechnologyStatusandDevelopmentTrendAbstractUltrasonicmachiningtoolistheuseofultrasonicvibrationinaliquidabrasiveordryabrasivemediaproducedintheimpactofabrasive,polishing,andtheresultinghydraulicimpactofcavitationeffectstoremovethematerials,ortothetoolortheworkpiecealongacertaindirectionappliedprocessingofultrasonicvibrationtovibration,ortheuseofultrasonicvibrationtotheworkpiececombinationofprocessingmethods.

Fordecades,therapiddevelopmentoftechnology,ultrasonicmachining,theultrasonicvibrationsystem,deepholeprocessing,wiredrawingdieandcavitymoldpolishing,ultrasoniccomplexprocessingareashaveawiderrangeofresearchandapplication,especiallyinareasofdifficultmaterialsmanyofthekeytechnologytosolveproblems,andachievedgoodresults.

Paperfocusesonthebasiccomponentsofultrasonicmachiningandultrasonicmachiningsystemcharacteristics,suchasthegenerator,transducer,hornandultrasonicabrasivemachining,etc.,andthetypicalultrasonicmachiningprocessbywayof-ultrasonicdrillingexperimentswerecarriedoutresearchandanalysis,andfinallyobtainedthecharacteristicsofultrasonicmachining,ultrasonicmachiningoftheuniquemeritsofagoodargument.Thepurposeofthispaper,basedonthebasisofthecharacteristicsofultrasonicdrilling,conceivedanddesignedultrasonicdrillingrig.Mainlytomeetthedesignsimple,smoothmotion,easyoperation,canachievemorethanthedirectionofmovement,etc.,wellpositionedtomeettheprogressoftheultrasonicdrillingprocesstogiveclamping.

Lookingahead,prospectsforultrasonicmachiningtechnologyisgood.Withthetraditionalprocessingtechniquesandhigh-techdevelopment,ultrasonicvibrationcuttingtechnologyisusedwidely.Themorepeopletheultrasonicmachiningcombinedwithotherprocessingmethods,andgraduallyformedavarietyofprocessingmethods.Ultrasonicmachiningtechnologyinthemodernindustrial,defenseandhigh-techareassuchaswidelyusedKeywordsUltrasonicmachiningGeneratorTransducerHorn本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第39頁共46頁目次TOC\o"1-2"\h\u60381緒論 0137492超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡介 4205982.1超聲波加工原理 4110762.2超聲波加工系統(tǒng)組成 5149373小型超聲波鉆床設(shè)計 1332143.1超聲波發(fā)生器的選用 13158113.2超聲波換能器的設(shè)計 13233.3變幅桿設(shè)計 1438283.4鉆床的機架設(shè)計 1565944超聲波鉆實驗論證 27267174.1磨料沖擊超聲波加工介紹 27122664.2磨料沖擊超聲加工實驗 2932211結(jié)論 3510839致謝 365693參考文獻(xiàn) 371緒論超聲波加工技術(shù)是高新加工技術(shù)之一，也是當(dāng)今世界各國一個熱門的話題。對于超聲波技術(shù)的探究的人越來越多，更多的超聲加工技術(shù)被應(yīng)用于各種生產(chǎn)加工，已經(jīng)涉及到許多領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮了突出的作用。超聲深孔加工的發(fā)展史眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要復(fù)雜得多。一般來說，孔加工工具的長度總是大于孔的直徑，在切削力的作用下易產(chǎn)生變形，從而影響加工質(zhì)量和加工效率。特別是對難加工材料的深孔鉆削來說，會出現(xiàn)很多問題。例如，切削液很難進(jìn)入切削區(qū)，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產(chǎn)生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結(jié)果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。采用超聲加工則可有效解決上述問題。

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代就生產(chǎn)出帶磨料的超聲波鉆孔機床。在美國，利用工具旋轉(zhuǎn)同時作軸向振動進(jìn)行孔加工已取得了較好的效果。日本已經(jīng)制成新型UMT-7三坐標(biāo)數(shù)控超聲旋轉(zhuǎn)加工機，功率450W，工作頻率20kHz，可在玻璃上加工孔徑1.6mm、深150mm的深小孔，其圓度可達(dá)0.005mm，圓柱度為0.02mm。英國申請了電火花超聲復(fù)合穿孔的專利，該裝置主要用于加工在導(dǎo)電基上有非導(dǎo)電層的零件，如在金屬基上涂有壓電陶瓷層的零件。整個加工過程分兩個階段進(jìn)行：首先用超聲振動將非導(dǎo)電層去除掉，當(dāng)傳感器感知金屬層出現(xiàn)時，即改用電加工或電火花與超聲復(fù)合的方法進(jìn)行加工。該裝置有效地解決了具有導(dǎo)電層和非導(dǎo)電層零件孔的加工問題。

1996年，日本東京大學(xué)在超聲加工機床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細(xì)工具，并成功地利用超聲加工技術(shù)在石英玻璃上加工出直徑為φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為φ5μm的微孔。湘潭大學(xué)進(jìn)行了內(nèi)圓表面的超聲光整強化研究。該方法是在鉆孔后對孔進(jìn)行精加工處理，通過機械——超聲強化處理，在普通機床上達(dá)到精鉸、研磨的精度，可實現(xiàn)機械化。初步實驗結(jié)果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內(nèi)圓表面形成有益的殘余壓應(yīng)力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時內(nèi)圓表面呈網(wǎng)狀紋絡(luò)，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，并可大大降低生產(chǎn)成本。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了Ti合金深小孔的超聲電火花復(fù)合加工。該工藝將超聲振動引入到精密電火花加工中，通過研究超聲振動對電火花精加工過程的影響，開發(fā)出了一種將超聲和電火花結(jié)合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實驗研究表明，應(yīng)用該裝置可以在Ti合金上加工出φ>0.2mm、且深徑比<15的深小孔。

兵器工業(yè)五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超聲振動磨削，進(jìn)行了超聲振動磨削和普通磨削陶瓷深孔的對比實驗。結(jié)果表明，超聲振動磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產(chǎn)生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。難加工材料的超加工金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易氧化、腐蝕等優(yōu)點。然而，由于工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴(yán)重阻礙了應(yīng)用推廣。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者展開了對難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。

英國阿伯丁大學(xué)國王學(xué)院研究了超聲鉆削難加工材料時工藝參數(shù)對材料去除率的影響，建立了間斷性沖擊過程的非線性模型，對沖擊力的特性進(jìn)行了研究，提出了一種新的材料去除率的計算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態(tài)力作用下減小的原因。

美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)和內(nèi)華達(dá)大學(xué)對Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術(shù)進(jìn)行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學(xué)特性對材料去除機制進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，低沖擊力會引起陶瓷材料結(jié)構(gòu)的變化和晶粒的錯位，而高沖擊力會導(dǎo)致中心裂紋和凹痕。美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機理、過程動力學(xué)以及發(fā)展趨勢，并詳細(xì)討論了超聲技術(shù)在陶瓷加工方面的應(yīng)用情況。

巴西的研究人員對石英晶體的超聲研磨技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體的材料去除率取決于晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產(chǎn)生微裂紋是材料去除的主要原因。

美國堪薩斯州立大學(xué)提出了一種超聲旋轉(zhuǎn)加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，并將其應(yīng)用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數(shù)之間的關(guān)系，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)的發(fā)展。

山東大學(xué)研究開發(fā)了工程陶瓷小孔的超聲振動脈沖放電加工技術(shù)，工具電極的超聲振動引起脈沖放電，從而代替了傳統(tǒng)電火花加工的專用脈沖發(fā)生器。另外，工具電極的超聲振動還可以起到清洗縫隙的作用，并采用該技術(shù)對Al2O3/(W，Ti)C、Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw3種Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進(jìn)行加工，研究了其加工機理和加工參數(shù)對不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，該復(fù)合加工技術(shù)有效地結(jié)合了超聲加工和放電加工的特點，能高效、高質(zhì)量地加工陶瓷材料。

山東大學(xué)還利用超聲加工技術(shù)對大理石的孔加工進(jìn)行了研究，并與陶瓷材料進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，材料去除率與大理石的力學(xué)性能有關(guān)，在同樣的加工條件下，材料的強度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。

天津理工學(xué)院對大理石超聲精密雕刻技術(shù)進(jìn)行了研究，開發(fā)了大理石超聲精雕系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質(zhì)量和水平跨上了新臺階。

同濟(jì)大學(xué)對超聲加工建筑玻璃小孔的實驗進(jìn)行了研究，探討了工具振動的振幅、頻率、工件材料、進(jìn)給壓力、工作介質(zhì)等主要加工參數(shù)對材料去除率的影響規(guī)律。結(jié)果表明，超聲加工建筑玻璃小孔的精度、表面質(zhì)量均可滿足建筑安裝、裝潢的要求。該研究對其他玻璃材料的加工具有一定參考價值。

北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)將超聲振動引入普通聚晶金剛石(PCD)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微觀結(jié)構(gòu)和去除機理的基礎(chǔ)上，對PCD超聲振動研磨機理進(jìn)行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動脈沖力的作用是提高研磨效率的根本原因。

淮海工學(xué)院對燒結(jié)永磁體材料超聲振動加工過程中的材料去除機理進(jìn)行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關(guān)系，對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)作用。

沈陽工業(yè)學(xué)院研究了采用電鍍金剛石工具頭對瑪瑙進(jìn)行鉆孔的可行性以及加工參數(shù)與材料去除率的關(guān)系。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同時，借助于SEM分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機理。超聲加工技術(shù)的發(fā)展趨勢和未來展望隨著傳統(tǒng)加工技術(shù)和高新技術(shù)的發(fā)展，超聲振動切削技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)研制和采用新的刀具材料

在現(xiàn)代制造業(yè)中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的范圍越來越大，對機械零件加工質(zhì)量的要求越來越高。為了更好地發(fā)揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數(shù)外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉(zhuǎn)為對刀具材料的開發(fā)與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金材料的研究和應(yīng)用為主要方向。

(2)研制和采用高效的振動切削系統(tǒng)

現(xiàn)有的實驗及實用振動切削加工系統(tǒng)輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實用的大功率振動切削系統(tǒng)早日問世。到目前為止，輸出能量為4kW的振動切削系統(tǒng)已研制出來并投產(chǎn)使用。在日本，超聲振動切削裝置通常可輸出功率1kW，切削深度為0.01～0.06mm。

(3)對振動切削機理深入研究

當(dāng)前和今后一個時期對振動切削機理的研究將主要集中以下幾個方面：①在振動切削狀態(tài)下工件材料是如何與工件分離并形成屑的。②振動切削中刀具與工件相互作用的力學(xué)分析。③振動切削機理的微觀研究及數(shù)學(xué)描述。(4)超聲橢圓振動切削的研究與推廣超聲波橢圓振動切削已受到國際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。美國、英國、德國和新加波等國的大學(xué)以及國內(nèi)的北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)已開始這方面的研究工作。日本企業(yè)界如日立、多賀和Towa公司等已開始這方面的實用化研究。但是，超聲波橢圓振動切削在理論和應(yīng)用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細(xì)部位和微細(xì)模具的超精密切削加工等方面還需要進(jìn)一步研究。此外，超聲加工技術(shù)在迅猛發(fā)展的汽車工業(yè)中已有非常廣泛的應(yīng)用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，難加工材料的超聲電火花和超聲電解復(fù)合加工，塑料件的焊接，以及清潔度要求較高的小孔窄縫零件的清洗?？梢酝茢啵暭庸ぜ夹g(shù)在世界汽車工業(yè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

超聲加工技術(shù)的發(fā)展及其取得的應(yīng)用成果是可喜的。一方面，材料加工的客觀需要推動和促進(jìn)了超聲加工技術(shù)的發(fā)展；另一方面，超聲加工技術(shù)提供的強有力加工手段，又促進(jìn)了新材料的發(fā)展。材料加工中的許多課題需要我們共同去探討。展望未來，超聲加工技術(shù)的發(fā)展前景是美好的。2超聲波加工原理與系統(tǒng)組成簡介2.1超聲波加工原理1、超聲波發(fā)生器2、換能器3、變幅桿4、工具頭5、磨料6、工件7、容器8、泵9、磨料供給管頭10、工作臺11、接觸壓力F12、工具頭震動方向13、震動位移振幅分布圖2-1超聲加工的基本加工裝置超聲波加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、最基本的加工方式是磨料沖擊加工，因此下面以磨料沖擊加工為例闡述超聲加工的基本原理。超聲波加工的基本裝置如圖2-1所示。主要由超聲波發(fā)生器、換能振動系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)和工作臺等部分組成。換能器產(chǎn)生的超聲振動由變幅桿將位移振幅放大后傳輸給工具頭，工具頭作縱向振動，其振動方向如圖2-1b中的箭頭所示。這樣，當(dāng)工具頭作縱向振動時，就沖擊磨料顆粒，磨料顆粒又沖擊加工表面，超聲加工主要是利用磨料顆粒的“連續(xù)沖擊”作用。由于超聲振動的加速度是非常大的，所以磨料顆粒的加速度（或沖擊力）也是非常大的。無數(shù)磨料顆粒連續(xù)不斷的沖擊，可使加工工件的表面破碎和去除。假如不用磨料而只用振動著的超聲工具頭直接縱向“錘擊”工件表面，那只能使工件表面產(chǎn)生損傷，實際上材料并沒有被去除。只有依靠切變應(yīng)力才能將材料去除，磨料在超聲工具頭的沖擊下產(chǎn)生的應(yīng)力含有切向成分，此切向分量對加工過程中材料的去除起重要作用。另外，磨料懸浮中的超聲空化效應(yīng)對加工也有很大的作用。超聲加工常用的頻率是從20kHz到40kHz，位移振幅在10~100μm之間。當(dāng)頻率一定時，增大振幅可以提高加工速度，但振幅不能過大，否則會使振動系統(tǒng)超出疲勞強度范圍而損壞。同樣，當(dāng)位移振幅一定，而頻率增高時，也可提高加工速度，但頻率提高后，振動能量的損耗將增大。因此，一般多采用比較低的超聲頻率。2.2超聲波加工系統(tǒng)組成超聲波加工系統(tǒng)一般主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、以及一些輔助裝置組成。如下我將主要部分作進(jìn)一步介紹。2.2.1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器分模擬電路超聲波發(fā)生器和數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，這里主要講述模擬電路超聲波發(fā)生器。其模擬電路超聲波發(fā)生器組成如下圖2-2所示。圖2-2震蕩-放大型超聲波發(fā)生器方框圖（1）超聲波震蕩器超聲波震蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。它可以是一個獨立的震蕩器，也可以是一個反饋網(wǎng)絡(luò)。習(xí)慣上，把前一種稱為它激式超聲波發(fā)生器，后一種則稱為自激式超聲波發(fā)生器。其震蕩器的類型有：RC正弦波震蕩器、LC正弦波震蕩器、壓控震蕩器等。電路圖如下圖2-3所示。圖2-3超聲波震蕩器的幾種類型（2）超聲波放大器超聲波放大器的作用是將震蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。①橋式功率放大器橋式功率放大器可分成半橋式功率放大器和全橋式功率放大器兩種形式。其工作原理圖如下圖2-4、圖2-5所示。圖2-4半橋式功率放大器圖2-5全橋式功率放大器(3)匹配電路超聲波發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(nèi)容——調(diào)諧，即選用一定值的電抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。只有在同時進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常地工作。2.2.2超聲波換能器超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件。超聲加工處理設(shè)備利用超聲換能器的作用將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機械能，并通過變幅桿進(jìn)行振幅放大和聚能后再傳輸?shù)焦ぞ哳^，進(jìn)而實現(xiàn)對工件的超聲加工處理。目前，廣泛采用的超聲換能器主要有磁致伸縮換能器和壓電換能器兩大類。(1)磁致伸縮換能器①磁致伸縮換能器的工作原理磁致伸縮換能器是由磁致伸縮材料制作的鐵芯外面纏繞而成，如圖2-6所示。當(dāng)線圈中通以一定直流電流Io產(chǎn)生最佳偏磁場Ho后，再通過以交變電流I使其產(chǎn)生交變磁場H~，使H~重疊于Ho之上，由此鐵芯中的磁場將在Ho水平上變化。在交變磁場H~的作用下，由于材料的磁致伸縮效應(yīng)，換能器兩端面產(chǎn)生與交流電頻率相同的交變伸縮，當(dāng)交變電流的頻率與換能器的共振頻率一致時，換能器端部振動最強烈，由此從換能器兩端面向介質(zhì)輻射出超聲波 圖2-6磁致伸縮換能器②磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)和特點A、窗式換能器窗式換能器是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型，氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成。由于它是由許多薄片集成而成，疊片上有孔，所以被稱為窗式換能器。其結(jié)構(gòu)形式如圖2-7所示。圖2-7窗式磁致伸縮換能器這種換能器的特點是從兩端面輻射超聲波。通常采用的疊片厚度為0.1~0.3mm。因為金屬材料的電阻率低，因此片與片之間需要氧化絕緣，以減少渦流損耗。疊片上有孔，在疊片中形成閉合磁回路，漏磁少，并有利于散熱。隨選用的疊片多少，可以獲得不同的輻射面積。通常，輻射面的形狀采用正方形。B、環(huán)形換能器環(huán)形磁致伸縮換能器也是由薄片磁致伸縮金屬材料，經(jīng)沖孔成型、氧化絕緣、疊集成塊、退火等工藝制成其結(jié)構(gòu)形式如圖2-8所示。圖2-8環(huán)形磁致伸縮換能器這種類型換能器的特點是：當(dāng)線圈中同時通過偏磁電流和交變流后，圓環(huán)受到磁致伸縮應(yīng)力的作用，沿圓周產(chǎn)生長度伸縮的變化，因而產(chǎn)生徑向振動，可以自圓環(huán)內(nèi)側(cè)面(圖2-8a)或外側(cè)面(圖2-8b)向周圍介質(zhì)輻射超聲波。(2)壓電換能器①壓電換能器的工作原理壓電換能器是利用壓電材料在電場作用下產(chǎn)生形變的特性，即壓電晶體的逆壓電效應(yīng)而制成的，如圖2-9所示，將壓電材料做成片狀，上下兩面涂上銀層作為電極，并進(jìn)行極化處理，在該壓電片兩極間加上電場。有兩種情況出現(xiàn)：a.外電場與壓電片極化方向相同。外加電場起到了使壓電片的極化強度增大的作用。極化強度的增大，使壓電片沿極化方向產(chǎn)生伸長的形變。b.外加電場與極化方向相反。反向電場將削弱壓電片的極化強度，使得壓電片沿極化方向產(chǎn)生縮短的形變。圖2-9壓電換能器的工作原理利用這兩種現(xiàn)象，將外加電場換為交變電場時，壓電片就會產(chǎn)生與交變電場同頻率的交變形變，從而使壓電片兩面向外輻射聲波。當(dāng)外加電場頻率與壓電片固有頻率相同產(chǎn)生諧振時，壓電片振動最大，聲輻射也最強烈。②壓電換能器的結(jié)構(gòu)形式超聲加工處理設(shè)備中常用的壓電換能器結(jié)構(gòu)形式有：薄長片形換能器、圓環(huán)形換能器、薄圓片形換能器和夾心式換能器。其結(jié)構(gòu)圖形如下圖2-10所示。圖2-10壓電換能器的結(jié)構(gòu)2.2.3超聲變幅桿超聲變幅桿，又稱超聲變速桿、超聲聚能器，其外形通常為變截面桿，是超聲加工處理設(shè)備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由超聲換能器輻射面所產(chǎn)生的振動幅度較小，所以必須借助變幅桿的作用將機械振動質(zhì)點的位移量和運動速度進(jìn)行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產(chǎn)生聚能作用。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負(fù)載之間架起橋梁，進(jìn)行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負(fù)載傳輸。此外在超聲加工處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)工藝上，通常在變幅桿或半波長等截面桿的波節(jié)平面處加帶一個法蘭盤，利用法蘭盤將超聲振動系統(tǒng)固裝在超聲設(shè)備上。在向高溫介質(zhì)或腐蝕介質(zhì)幅輻射超聲能量時，還可以借助于變幅桿把換能器與惡劣環(huán)境隔離開，使換能器避免被腐蝕，減少受到熱的影響。變幅桿可分為縱向振動變幅桿、彎曲振動變幅桿。其中縱向振動變幅桿可分為簡單形、復(fù)合形。簡單形又可分為指數(shù)形、圓錐形、懸鏈形、階梯形。而復(fù)合形是由各種簡單形變幅桿根據(jù)實際需要組合而成的。（1）單一變幅桿超聲變幅桿的性能主要是由變幅桿的共振長度L,放大系數(shù)Mp，形狀因數(shù)ψ，位移節(jié)點xo，輸入力阻抗Zi和彎曲勁度參數(shù)加以描述。其中Mp是指變幅桿工作在共振頻率時，輸出端與輸入端的質(zhì)點位移或速度的比值；形狀因數(shù)ψ是衡量變幅桿所能達(dá)到最大振動速度的指標(biāo)之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關(guān)，值越大，通過變幅桿所能達(dá)到最大振動速度也越大。輸入阻抗Zi定義為輸入端策動力與質(zhì)點振動速度的復(fù)數(shù)。在實際應(yīng)用中常常要求輸入力阻抗隨頻率及負(fù)荷的變化而變化的幅度要小，彎曲勁度是彎曲柔順性的倒數(shù)，彎曲勁度也與變幅桿的幾何形狀有關(guān)。變幅桿越長，彎曲柔順性越大，在許多實際應(yīng)用中這是需要避免的。單一變截面桿如圖2-11所示。圖2-11單一變幅桿（2）復(fù)合變幅桿在高強度超聲應(yīng)用中，常常要求變幅桿末端具有很大的振動幅度，這就要求變幅桿的形狀因數(shù)ψ及放大系數(shù)Mp值都盡可能的大，單一變幅桿的ψ值和Mp值常出現(xiàn)此優(yōu)彼劣的現(xiàn)象，很難二者兼顧。為了改變這一狀況，就必須采用復(fù)合變幅桿的形式來彌補不足以提高其輸出性能。在有些應(yīng)用場合需要特別高的振動速度時，也常用到長度滿足共振條件的復(fù)合形變幅桿。圖2-12為三段復(fù)合變幅桿。其中Ⅰ和Ⅲ段為等截面桿，Ⅱ段為變截面桿，而變截面桿可以是指數(shù)形、圓錐形或懸鏈線形等不同形式。如果兩等截面桿的長度相等，則構(gòu)成具有變截面過渡段的階梯形變幅桿。當(dāng)Ⅰ或Ⅲ的任一段為零，則可構(gòu)成兩段復(fù)合變幅度桿。圖2-12三段復(fù)合變幅桿3小型超聲波鉆床設(shè)計根據(jù)以上敘述的超聲波加工原理，可以設(shè)計出一臺簡單的超聲波鉆床，并且通過與普通鉆床其性能進(jìn)行對比，探討總結(jié)出超聲波鉆床的工性能。一般超聲波鉆床由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和輔助機構(gòu)等組成。要設(shè)計超聲鉆床，也就從這幾個方面入手，詳細(xì)的設(shè)計步驟見下面。3.1超聲波發(fā)生器的選用由于超聲波發(fā)生器內(nèi)部電路等結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由于知識有限這里進(jìn)行適當(dāng)選用即可。3.2超聲波換能器的設(shè)計由于壓電式換能器較易實現(xiàn)，這里設(shè)計選擇壓電陶瓷型換能器。壓電換能器有以下幾個部分組成，如下圖3-1所示：圖3-1超聲波換能器結(jié)構(gòu)示意圖如圖，超聲波換能器將接受到的超聲波信號由壓電陶瓷的“逆壓電效應(yīng)”轉(zhuǎn)換成機械的振動。其組成部件十分簡單，除壓電陶瓷、電極需要買賣外，其余部件可通過車削45鋼的方式得到。實物如下圖3-2所示：圖3-2超聲波換能器3.3變幅桿設(shè)計3.3.1設(shè)計注意事項（1）變幅桿的材料一般選用材質(zhì)均勻、材料疲勞強度高、易加工的結(jié)構(gòu)鋼，一般性的選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；（2）大圓錐體端部與超聲換能器配合，度表面的粗糙度有較高的要求，一般性的選Ra1.6（3）變幅桿的小端圓柱半徑R2大小直接影響放大倍數(shù)，故R2不易取太大；（4）變幅桿的聯(lián)接采用細(xì)牙螺紋，以免振動過程中松脫。3.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)變幅桿的基本知識及實際的應(yīng)用。變幅桿的形式為圓錐平滑階梯復(fù)合型效果最好，其結(jié)構(gòu)圖如下圖3-3所示。一般取L1=λ/4，使界面位置位于圓錐體與圓柱體的交界處，這一位置的振幅最小。圖3-3變幅桿結(jié)構(gòu)圖對于圓錐平滑彈性體：頻率方程如下：<3-1>振幅放大系數(shù)為：<3-2>由上式可知：放大系數(shù)與R1、R2、L1、L2有關(guān)，L3又由L2確定的，因此，只要知道R1、R2、L2，那么整個變幅桿的尺寸就可以確定。R1與換能器的尺寸一致，對于一個特定的換能器十一個固定的值。R2是變幅桿端部的尺寸，視所需的振動幅度而定，往往是變化的；圓錐體部分的L2不宜設(shè)計過大否則振幅放大系數(shù)太小，一般的取kl2=π/4換能器的振動頻率f=20kh，R1=22mm,R2=5mm①彈性材料的選擇彈性材料選用45鋼，該材料的疲勞強度高，而且易加工。加工后調(diào)質(zhì)處理。介質(zhì)彈性模量：E=2.08x1011N/m2，ρ=7.9kg/cm3。②申博在變幅桿中傳播的速度及波長速度V=(E/ρ)1/2=(2.08x1011/790)1/2=5.13X103(m/s)<3-3>波長λ=v/f=5.13X103/20000=256.5（mm）<3-4>③尾柱長度及圓柱體部分的長度尾柱長度L1L1=λ/4=256.5/4=64.1mm取整L1=64（mm）圓柱體部分的長度L2L2=/4K==32.06（mm）取整L2=32（mm）④小截面部分長度因為=cot+x（—1）=5.331則kl3=1.385所以L3=1.385x=35.52（mm）取整L3=35(mm)⑤振幅放大系數(shù)振幅放大系數(shù)MM===20即根據(jù)設(shè)計參數(shù)加工出如圖示的變幅桿。3.4鉆床的機架設(shè)計超聲波鉆床機架的設(shè)計包括了床身、工作臺、進(jìn)給機構(gòu)、壓緊機構(gòu)等，其功能應(yīng)考慮能上下、左右、前后的進(jìn)給運動，并且能有效的壓緊工件，同時也應(yīng)考慮其加工的方便等。3.4.1鉆床床身設(shè)計床身包括了底盤與支撐，下面是其床身設(shè)計步驟：構(gòu)思并繪制床身結(jié)構(gòu)草圖初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸在初定床身參數(shù)尺寸前，首先應(yīng)考慮其標(biāo)準(zhǔn)件的選擇，再去制定其余的尺寸。在構(gòu)思床身中發(fā)現(xiàn)其運用到標(biāo)準(zhǔn)件有軸承，所以我們應(yīng)先選擇適當(dāng)?shù)妮S承。因深溝球軸承運用廣泛，運動良好，這里我選用此軸承，參考機械設(shè)計手冊，示意圖如下：3-4圖3-4根據(jù)d=20mm,可查得D取42mm,B=12mm.據(jù)此初設(shè)計出其余結(jié)構(gòu)參數(shù)圖樣，示意圖如下：圖3-5底盤圖3-6支承桿③在草稿上進(jìn)行簡單的強度校核校核通過，確定床身的最終結(jié)構(gòu)尺寸。④材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤與支撐都選擇45鋼。⑤選擇加工方式及熱處理由設(shè)計圖知底盤可用加工中心銑削的方法得到，而支撐桿可以通過數(shù)控車削的方式得到，因支撐桿有起滑軌的作用，所以加工表面要求高，并需要進(jìn)行淬火處理，以防磨損。⑥繪制加工零件圖⑦床身設(shè)計組合圖簡要說明鉆床床身設(shè)計組合示意圖如下3-7所示，底盤上開有兩軸承孔，作用是支承絲杠以便轉(zhuǎn)動，做成臺階形式是為裝軸承后保持其強度，另外減少材料；支撐桿上尾部帶有螺紋與底盤螺紋孔配合，固定效果良好，桿上部分做成臺階是以便后面設(shè)計擺桿，螺紋孔將再后續(xù)設(shè)計一鎖緊螺釘，以便擺桿的定位。綜合上設(shè)計兩件，加工方便，簡單美觀，實現(xiàn)效果良好。圖3-7組合示意3.4.2擺動伸縮桿的設(shè)計設(shè)計擺桿伸縮桿是為方便鉆床左右的擺動，與前后的伸縮，在工件裝夾后可以方便鉆與工件的對位。①構(gòu)思并繪制擺桿結(jié)構(gòu)草圖②初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸此設(shè)計需根據(jù)常用緊固螺母，設(shè)計軸的徑向尺寸大小，其余根據(jù)實際形體比例設(shè)計其尺寸。結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖3-8擺動伸縮桿設(shè)計示意③在草稿上進(jìn)行簡單的強度校核校核通過，確定床身的最終結(jié)構(gòu)尺寸。④材料的選擇考慮其加工性良好，這里底盤與支撐都選擇45鋼。⑤選擇加工方式及熱處理此零件可通過數(shù)控車削的方式得到，但套管的內(nèi)壁與推桿的表面接觸部分要求比較高，加工后需表面淬火處理，以防磨損。⑥繪制加工零件圖擺動桿包括了套管與推桿兩部分，加工零件圖需分開繪制。⑦擺動伸縮桿設(shè)計組合圖簡要說明擺動擺動伸縮桿與床身的組合圖如下，擺動伸縮桿其優(yōu)點方便了前后的自由伸縮，左右的自由擺動，且可以有效鎖緊，個自由度可有效實現(xiàn)，同時它的加工方式簡單方便。圖3-9組合示意3.4.3傳動絲杠及工作臺設(shè)計因所設(shè)計鉆床為小型化的，傳動機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)追求簡單化、輕型化與可靠化，這里傳動方式我選擇了螺旋傳動的方式，設(shè)計步驟如下：①構(gòu)思并繪制擺桿結(jié)構(gòu)草圖②初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸這里無標(biāo)準(zhǔn)件，只是在設(shè)計絲杠是螺紋選擇常見的M20，以方便加工。其余設(shè)計時注意足夠的強度即可。圖3-10傳動絲杠及工作臺示意③在草稿上進(jìn)行簡單的強度校核校核通過，確定傳動絲杠及工作臺最終結(jié)構(gòu)尺寸。④材料的選擇考慮其加工性良好，這里傳動絲杠及工作臺都選擇45鋼。⑤選擇加工方式及熱處理工作臺可通過數(shù)控加工中心銑削或線切割的方式得到，絲杠可通過數(shù)控車削的方式得到。最后對導(dǎo)向孔進(jìn)行淬火處理以增加其強度，以防磨損。⑥繪制加工零件圖傳動絲杠與工作臺各一張。⑦擺動伸縮桿設(shè)計組合圖簡要說明設(shè)計組合圖如下，絲桿可帶動工作臺上下移動，運動實行方式。另外絲杠與工作臺的加工都十分簡單，絲杠還加裝了轉(zhuǎn)盤，工作臺上開有排屑孔。絲杠與床身用滾動軸承聯(lián)接，轉(zhuǎn)動效果好，不易磨損。圖3-11組合示意3.4.4工件夾緊機構(gòu)設(shè)計夾緊機構(gòu)的設(shè)計，要追求夾緊方便、可靠，另外加工實現(xiàn)方便。其設(shè)計步驟如下：構(gòu)思并繪制工件夾緊機構(gòu)草圖初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸參考已設(shè)計好的工作臺大小，設(shè)定工件夾緊機構(gòu)的尺寸參數(shù)，壓緊方式選擇螺紋壓緊。采用一端固定，一端移動的形式。圖3-11工件夾緊裝置示意③在草稿上進(jìn)行簡單的強度校核校核通過，確定工件夾緊裝置最終結(jié)構(gòu)尺寸。④材料的選擇考慮其加工性良好與夾緊裝置的質(zhì)的輕巧，這里工件夾緊機構(gòu)選擇鋁合金。⑤選擇加工方式及熱處理工件夾緊機構(gòu)可用數(shù)控加工中心銑削得到，加工好后進(jìn)行淬火處理增加其耐磨性。⑥繪制加工零件圖⑦工件夾緊機構(gòu)設(shè)計組合圖簡要說明如下是加裝工件夾緊機構(gòu)設(shè)計組合圖，工件可得到有效的夾緊，夾緊方便，架構(gòu)輕巧?？蓨A緊一定寬度和厚度的工件。圖3-12組合示意3.4.5超聲鉆固定套的設(shè)計超聲鉆固定套用于固定超聲鉆，并與導(dǎo)桿相連接，設(shè)計簡單、可靠、輕巧即可。①構(gòu)思并繪制超聲鉆固定套草圖②初定設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸根據(jù)前面設(shè)計好的超聲鉆的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計此結(jié)構(gòu)尺寸。圖3-13超聲鉆固定套示意③在草稿上進(jìn)行簡單的強度校核校核通過，確定超聲鉆固定套最終結(jié)構(gòu)尺寸。④材料的選擇考慮其加工性良好與質(zhì)的輕巧，這里選擇鋁合金。⑤選擇加工方式及熱處理超聲鉆固定套可用數(shù)控車車削得到，加工好后無須熱處理。⑥繪制加工零件圖⑦超聲鉆固定套設(shè)計組合圖簡要說明超聲鉆固定套與擺動伸縮桿采用螺紋連接，中間掏空可將超聲鉆放入其中，并用螺紋固定好。圖3-14組合示意3.4.6超聲鉆床組裝圖說明超聲鉆床組裝示意圖如下，分別由底盤、支承桿、擺動伸縮桿、擋圈、傳動絲杠、軸承、工作臺、工件夾緊裝置、超聲鉆（換能器、變幅桿等）、超聲鉆固定套、手動轉(zhuǎn)盤、止動手把等組成。圖3-15超聲鉆床結(jié)構(gòu)示意①繪制超聲鉆床裝配圖②工作原理說明A、工件裝夾：將工件置于夾緊裝置移動塊與固定塊之間，通過推動移動塊以及擰動上下運動的螺母使其夾緊。B、運動方式：此鉆床工作臺可實現(xiàn)上下的移動，鉆臂可實現(xiàn)左右的擺動，方便與工件的定位。4超聲波鉆實驗論證超聲波鉆的加工原理實際上就是利用超聲振動加磨料，從而去除多余材料的一種簡單的加工方法。下面我們在進(jìn)行實驗之前就先講下，磨料沖擊加工的的基本原理。4.1磨料沖擊超聲波加工介紹磨料沖擊超聲加工是一種應(yīng)用非常廣泛的超聲加工方式，它是磨粒在超聲振動作用下的機械撞擊、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果。由于磨料沖擊超聲加工是基于磨粒沖擊的作用，因此越是硬脆的材料遭受的破壞越大，加工效果也越明顯。相反，硬度和脆性不是很大的韌性材料，因其具有緩沖作用而難于進(jìn)行磨料沖擊超聲加工，因此在選擇工具材料時，既要考慮能撞擊磨粒，又能保證工具自身不受到很大破壞，在超聲加工中常用45鋼作為工具材料，以減少工具的相對損耗，并且價格低廉。磨料沖擊超聲加工示意圖如圖4-1所示。圖4-1磨料沖擊超聲加工示意圖來衡量4.1.1影響磨料沖擊超聲加工的效率、精度和表面質(zhì)量因素磨料沖擊超聲加工的效率一般用單位時間去除工件材料的質(zhì)量或體積來衡量。在實際加工中，常用單位時間內(nèi)工具頭的進(jìn)給量來表示相對加工速度，該方法比較直觀、方便。影響磨料沖擊超聲加工效率的因素較多，主要的有以下幾種。⑴傳遞到工具頭的超聲頻率和振幅對加工效率的影響當(dāng)頻率一定時增加振幅，或當(dāng)振幅一定時增加頻率都可以提高加工速度，但過大的振幅和過高的超聲頻率都會使工具或變幅桿承受很大的內(nèi)應(yīng)力，如果超過其疲勞強度時，使用壽命將會大大降低，甚至遭到破壞。因此磨料沖擊超聲加工的頻率應(yīng)用范圍是20~40Hz；位移振幅一般在10~100μm范圍。⑵工件壓力對加工效率的影響超聲加工時，工具不是剛性進(jìn)給的，而是通過彈簧、磁斥力或重錘壓力來實現(xiàn)進(jìn)給的。⑶工件材料的性質(zhì)及磨料懸浮工作液對加工效率的影響被加工材料越脆，則承受沖擊載荷的能力越低，也就越容易被去除，相反，如果是韌性好的材料則不易被加工。如下表4-a列出了幾種不同性質(zhì)的材料的相對加工速度。（以玻璃的加工速度為基準(zhǔn)）表4-a不同材料超聲加工的相對加工速度材料玻璃鍺石英紅寶石硬質(zhì)合金金剛石相對加工速度100%57%52%18%5%0.5%~1.5%⑷工具材料對加工效率的影響作為超聲加工工具的材料不可太硬，否則會促使磨料很快邊鈍，工具本身也容易被過量損耗，對提高加工效率很不利。一般常用45號鋼作為超聲工具，不必淬火。此外，如果工具外形復(fù)雜則不利于磨料懸浮工作液的流動，也會影響生產(chǎn)率的提高。所以在設(shè)計超聲工具時一定要考慮盡可能有利于工作液的循環(huán)。影響加工質(zhì)量的因素很多，最主要的是磨料的粗細(xì)，該因素不但對加工效率有較大影響，對加工精度與表面質(zhì)量的影響也十分明顯。一般磨料越細(xì)，加工精度越高，表面質(zhì)量也越好。因此要想達(dá)到某種等級的加工精度和表面粗糙度，并且還要保持較高的加工速度，選擇磨料粒度的粗細(xì)是至關(guān)重要的。一般磨料沖擊超聲加工可分為粗、中、細(xì)三檔模式，對于磨料粒度的選擇也是由粗到細(xì)依次排列。粗檔加工以對工件材料去除為主，中檔加工是承上啟下的過度階段，而精檔加工則是對工件被加工表面進(jìn)行拋光精加工。三者并沒有嚴(yán)格的界限，應(yīng)根據(jù)加工的實際狀況而定。4.1.2金剛石、碳化硼等材料的磨料沖擊超聲加工眾所周知，金剛石是世界上已知的物體中硬度最高的，天然鉆石、人造聚晶金剛石、大顆粒人造單晶金剛石組成了金剛石家族，除了這個家族外立方蛋化硼、碳化硼等硬度較高的物質(zhì)也屬于超硬材料的范疇。它們的共同特點是高硬度、高脆性，都適于用磨料沖擊超聲進(jìn)行加工。（本次實驗所用磨料主要是碳化硼和金剛砂）4.2磨料沖擊超聲加工實驗4.2.1實驗工具和材料在實驗之前，我們首先現(xiàn)羅列以下此實驗所需要用的材料和工具，見下表4-a所示。表3-a超聲鉆實驗工具和材料實驗工具和材料數(shù)量超聲波發(fā)生器1臺示波器1臺超聲鉆（包括超聲電機和變幅桿等）1臺磨料（碳化硼和金剛砂）各1袋計時器1只水1瓶碗和勺各1只鉆削材料玻璃1塊大理石1塊瓷磚1塊花崗巖1塊青磚1塊鵝卵石1塊巖石1塊4.2.2實驗準(zhǔn)備（1）磨料準(zhǔn)備將買回來的磨料，倒入碗中加入適當(dāng)?shù)乃M(jìn)行攪拌，加水的目的是為了鉆孔時，降溫。（當(dāng)然能加一些其它的冷卻液是更好不過了）攪拌均勻后留備用。（2）加工材料準(zhǔn)備將找到的不規(guī)則的加工材料清洗，并用切割機切成規(guī)則形狀便于實驗的裝夾。切好后，辨別材質(zhì)并標(biāo)號。如：①青磚②玻璃③大理石④鵝卵石⑤花崗巖⑥巖石⑦瓷磚（材料見下圖3-2）圖4-2超聲鉆加工實驗材料（3）超聲波波形調(diào)試將超聲波發(fā)生器與示波器正確連接后（采用一通道即可），再將示波器打開，校零后，將超聲波發(fā)生器電源開關(guān)打開，10s后，啟動超聲波發(fā)生器。調(diào)整超聲波振動頻率等參數(shù)，此時示波器上將顯示一波形，并聽到輕微的變幅桿振動聲，但看不出，現(xiàn)在我們需要觀察水的霧化現(xiàn)象，水霧化后說明波形正確是我們所需要得到的波形。判斷水霧化的方法就是用勺把水澆到變幅桿的末端，看水的是否四濺，若沒有則還需要調(diào)整波形，直到最后產(chǎn)生霧化現(xiàn)象為止。我們可以發(fā)現(xiàn)此波形為一帶毛刺的尖峰波，這正是加工的所要得到的波形。（4）超聲鉆加工計時在磨料沖擊加工時，我們會讓兩名同學(xué)一組進(jìn)行，一位負(fù)責(zé)添加帶水磨料，另一名同學(xué)用秒表計時器計時，計時要求準(zhǔn)確誤差小。（加工卡死時不計時）（5）清理現(xiàn)場加工完備后，切斷超聲波發(fā)生器電源開關(guān)以及示波器電源開關(guān)。由于磨料的價格昂貴，將碗里磨料的水倒掉，可留下次實驗繼續(xù)使用。取出工件并用抹布將加工過程中濺出來的水擦掉，清洗工件，觀察加工孔的情況，可以把它們進(jìn)行比較。下圖3-3為加工后的孔效果圖。圖4-3超聲鉆加工孔效果圖4.2.3實驗數(shù)據(jù)分析（1）實驗數(shù)據(jù)第一次試驗數(shù)據(jù)（金剛沙磨料）編號名稱時間（min）深度(mm)1青磚3.2012.782玻璃2.5253大理石18.4511.24鵝卵石3.22.85花崗巖12.208.26巖石13.308.17瓷磚15.009第二次試驗數(shù)據(jù)（碳化硼磨料）編號名稱時間(min)深度(mm)1青磚3.3012.782玻璃1.5153大理石18.0011.24鵝卵石3.152.15花崗巖8.1066巖石13.3077瓷磚6.59（2）數(shù)據(jù)分析圖4-4兩種磨料加工數(shù)據(jù)折線圖上圖3-4為該實驗的折線圖，通過圖折線、數(shù)據(jù)和表面質(zhì)量的比較可以清楚的看出磨料的粗細(xì)對加工工件的表面的表面質(zhì)量有很大的影響，磨料的力度越細(xì)其表面的質(zhì)量就越高但同時加工的時間也就越長。反只表面的加工質(zhì)量很低。電流的大小對加工速同樣有影響，電流越大加工的速度越快反之則速度很慢。我們同時也發(fā)現(xiàn)但鉆磨損較大時起狀態(tài)和加工表面得質(zhì)量多會發(fā)生較大的變化。磨損出現(xiàn)后負(fù)載就加不上去波形業(yè)隨之改變，如能加工則加工電流則過大會引起鉆的發(fā)熱若時間過長則會將鉆燒毀。狀態(tài)的改變也給試驗的準(zhǔn)確性帶來了誤差。應(yīng)盡量的避免此類情況的發(fā)生。加工效率碎著孔的深度增加而降低。加工效率與材料也有關(guān)脆性越大加工效率越高。4.2.4提出加工中存在的問題及改進(jìn)措施（1）加工中存在的問題和改進(jìn)措施①崩邊現(xiàn)象在超聲鉆孔中，一個很難避免的問題就是工具入口和出口端會出現(xiàn)蹦邊的現(xiàn)象。工件材料的斷殘韌性越低，加工孔徑越小蹦邊就越明顯。入口和出口處崩邊受進(jìn)給力和工具振幅兩個因素影響。隨著他們的增大而嚴(yán)重。入口崩邊是由于工具的進(jìn)給力和超聲振動材料長產(chǎn)生環(huán)狀裂紋，工具的震動使整個裂紋上端脫落造成的。出口崩邊的原因是由于玻璃、陶瓷等硬翠材料抗拉強度低，在孔的加工后期，孔周邊出的壓力最大，進(jìn)給力和超聲沖擊力使其沿環(huán)狀裂紋方向發(fā)生斷裂。改善措施：鉆孔中為了避免入口和出口處嚴(yán)總的崩邊現(xiàn)象發(fā)生，可采取分進(jìn)給速度分階段選擇的方法。在開始和將要結(jié)束時，適當(dāng)減小進(jìn)給速度，以超聲波自由磨粒沖擊為主進(jìn)行加工。加工中工具的進(jìn)給速度的大小應(yīng)根據(jù)不同工件材料、部通加工階段選取。由超聲加工孔后期陶瓷材料的受力情況，在工件的底下施加一個均不力，使其作用方向與工件所受到總均不載荷方向相反，則可以減小超聲加工在陶瓷空底面上的應(yīng)力，通過施加與壓力的方法，可以有效的避免超聲波加工陶瓷空出口邊緣崩碎現(xiàn)象，提高加工質(zhì)量，但是避免出口邊緣崩碎所施加的與壓力難以確定。②工具磨損現(xiàn)象超聲波加工中，工作夜中的懸浮磨料在工具的超聲振動下，以很大的速度不斷的沖擊琢磨工件的表面而進(jìn)行加工。同時，懸浮工作液受端面的超聲振動作用而產(chǎn)生液壓沖擊和空化現(xiàn)象，在工件表面形成液體空腔，在閉合式引起的極強的液壓沖擊破壞工件表面。同時液破壞工具。改進(jìn)措施：工具磨損的大小取決于工具的材料、結(jié)構(gòu)及各項的加工參數(shù)。為了減小工具的磨損，應(yīng)合理的選擇工具的材料，一般的加工硬脆材料多選用45鋼或碳素工具鋼的材料，應(yīng)為這些材料具有抗疲勞強度高、比較耐磨，加工容易。如果要求加工精度較高時，采用硬質(zhì)合金或淬火鋼角好，必要時可采用金剛石面鍍覆工具。此外，還要針對加工材料，優(yōu)化軸向載荷、工具參數(shù)和工具振幅等參數(shù)。③鉆的加工率慢應(yīng)為在鉆孔只控制工件的向上進(jìn)給速度，而速度的控制只能近似的保證加工順利進(jìn)行為條件，由于試驗的條有限，無法保證加工中位最佳靜壓力，而超聲波加工中加工壓力對材料去除率即加工效率的影響是非常重要的。通常加工效率隨靜壓力的增大而增大，在最佳靜壓力下加工效率最高，隨后隨加工靜壓力的增大而加工效率下降。改進(jìn)措施：可檢測加工靜壓力的大小，以最佳加工靜壓力控制進(jìn)給速度的大小，則能大大提高鉆孔的效率。（2）簡單故障的排除及注意事項①換能器不工作開機后打開工裝開關(guān)，這時可反復(fù)多次開、關(guān)工資開關(guān)，調(diào)整調(diào)諧鈕。若還不見效，則可能是：工具頭老化、鋼針開焊、加焊。此時將鋼針重新焊或者更換工具頭。②電流表指示大于200毫安解決方法同上，也可能是工具未上緊，鋼針振裂。③換能器發(fā)燙由于電流過大解決方法同上。④斷針功率過大，鋼針太長所故。建議工作調(diào)整在正常功率以內(nèi)。⑤打孔速度低這是磨料的粗細(xì)有關(guān)或磨料的剛度太低。及水沙比例不合適，一般水沙的比例為，能流動即可、不可太干。⑥換工具頭是應(yīng)關(guān)掉工作開關(guān)，不可無工具頭運轉(zhuǎn)。⑦功率不要條整過大一部的不要大于100毫安⑧打孔進(jìn)行時，應(yīng)該掌握一個最佳靜壓力，不可以太用力或用力太輕度會影響加工的速度。結(jié)論實驗總的來說，超聲波加工確實加工平穩(wěn)、無噪聲，加工時間要比普通鉆床加工時間短（一般指脆硬性材料）且加工不易產(chǎn)生斷裂的現(xiàn)象，加工效果要比普通鉆床好的多。加工的設(shè)備也是及其簡單，只有發(fā)生器外加超聲波電機，無其它復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)。此次實驗可以很好的說明超聲加工它與傳統(tǒng)的加工方式比較確實有它的獨特之處，毫無疑問我們應(yīng)該發(fā)現(xiàn)并表明，超聲波加工在加工脆硬性材料方面有特出的優(yōu)點，值得我們進(jìn)一步探究，需要我們注意的是一些加工細(xì)節(jié)問題。在此希望人們早日發(fā)現(xiàn)超聲波加工的更多優(yōu)點，并把其應(yīng)用在實際生活中去，為人類造福…致謝本文是在指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。老師在我的設(shè)計過程中提供了很多的重要參考意見，當(dāng)我設(shè)計遇到困難時，他們必定會及時地給予指導(dǎo)，幫助我解決設(shè)計中存在的問題，另外以及關(guān)心我的同學(xué)，是他們的幫助，我的畢業(yè)設(shè)計才能夠順利進(jìn)行。在此我對他們熱忱的幫助表示衷心的感謝！參考文獻(xiàn)[1]曹鳳國;《超聲波加工技術(shù)》;化工工業(yè)出版社[2]胡敏強,金龍,顧菊平;《超聲波電機原理與設(shè)計》[3]趙淳生;《超聲電機技術(shù)與應(yīng)用》[4]超范國良,陳傳梁;《超聲加工概況和未來展望》;1994年[5]成大龍;《機械設(shè)計手冊單行本機械振動/機架設(shè)計》;北京化學(xué)工業(yè)出版社;2004年[6]成大龍;《機械設(shè)計手冊單行本機構(gòu)設(shè)計》;北京化學(xué)工業(yè)出版社;2004年[7]寧偉，許明翔，王耀俊;《固體間不同厚度界面層超聲反射聲學(xué)技術(shù)》;1995年[8]王亞非,袁敬閎,曾宏亮;《分層媒質(zhì)中聲波傳輸規(guī)律的研究壓電與聲光》;2000年基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進(jìn)電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)HYPE